專利名稱：采用物理氣相沉積法的電化學(xué)電池的大規(guī)模制造技術(shù)
采用物理氣相沉積法的電化學(xué)電池的大規(guī)模制造對相關(guān)申請的交叉參考本申請要求于2008年6月20日提交的名稱為“采用物理氣相沉積法的電化學(xué)電 池的大規(guī)模制造”的美國臨時(shí)專利申請No. 61/074，448的權(quán)益，其內(nèi)容由此整體引入，作為參考。
背景技術(shù)：
對于許多不同的應(yīng)用，電化學(xué)電池正日益增長地用作電源。通常由電池電源運(yùn)行 的裝置的例子包括但不限于如手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)和便攜式媒體播放器的可移動電子裝 置。由這些裝置引起的電能增長的需要已帶來由各種材料以不同的結(jié)構(gòu)排列的電化學(xué)電池 的制造。制造電化學(xué)電池的常規(guī)方法通過沉積一系列層而形成電化學(xué)電池的元件(例如 陽極、陰極和電解質(zhì)材料)。通常，采用分批工藝，采用單獨(dú)的腔室以沉積不同的層，來制造 這些電化學(xué)電池。美國專利No. 5，411，592描述了一種采用在兩輥之間移動的襯底而形成薄膜電池 的裝置。通過使輥旋轉(zhuǎn)，該襯底被移入多個(gè)腔室，在腔室中沉積薄膜。盡管美國專利No. 5，411，592的方法可以有效地制造電化學(xué)電池，但是其可能存 在某些缺點(diǎn)。一種可能的缺點(diǎn)是體積大，即構(gòu)成電化學(xué)電池的每層薄膜都必須在單獨(dú)的腔 室中形成。由于將每個(gè)制備步驟分配到不同的腔室中，因此會增大裝置的尺寸。而且，由于將電化學(xué)電池的每層薄膜的形成分配到不同的腔室中，因此美國專利 No. 5，411，592的裝置缺乏靈活性。具體而言，在該電化學(xué)電池結(jié)構(gòu)中的改變，需要去制作新 的具有不同腔室的裝置。當(dāng)電池是由不同的材料或以不同的結(jié)構(gòu)形成時(shí)，常規(guī)的間歇式裝 置可能是不切實(shí)際的。綜上所述，可以看出，用于制造半導(dǎo)體材料的成本合算的和效率高的技術(shù)是所需 要的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及制造電化學(xué)電池的裝置和方法。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包 括單個(gè)腔室，所述單個(gè)腔室設(shè)置成用于在兩個(gè)卷軸之間卷繞的襯底上沉積不同的材料。在 一個(gè)實(shí)施方案中，在腔室內(nèi)的條件定期改變的情況下，所述襯底圍繞卷軸沿著相同的方向 移動，從而使沉積材料隨著時(shí)間連續(xù)形成。另一個(gè)實(shí)施方案采用，在腔室內(nèi)的條件隨著方向 的每一次改變而不同的情況下，使襯底圍繞卷軸移動的方向交替改變，從而使沉積材料隨 著時(shí)間順序形成。所述腔室配置有各種能源和材料源，從而使電化學(xué)電池的不同層沉積。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案，提供了用于電化學(xué)電池沉積的裝置。所述裝置包括沉積 腔室，該沉積腔室與第一材料源和第二材料源流體相通；第一 口，該第一 口與所述沉積腔室 流體相通且設(shè)置成在與沉積腔室內(nèi)的條件相似的氣體和壓力條件下保持；和第二 口，該第 二口與所述沉積腔室流體相通且設(shè)置成在與沉積腔室內(nèi)的條件相似的氣體和壓力條件下
7保持。襯底安置在兩個(gè)卷軸之間且延伸通過第一口、沉積腔室和第二口，以及控制器被配置 來使兩卷軸一致旋轉(zhuǎn)，從而沿通過沉積腔室的方向移動襯底，同時(shí)來自材料源的材料在襯 底上沉積。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施方案，提供了用于形成電化學(xué)電池的方法。所述方法包括 使在兩個(gè)卷軸之間卷繞的襯底沿第一方向移動通過沉積腔室，在沉積腔室中在第一組沉積 條件下在襯底上沉積陽極或陰極層，然后將陽極或陰極層移回到沉積腔室中。在沉積腔室 中在第二組沉積條件下在陽極或陰極層上沉積電解質(zhì)層。將電解質(zhì)層移回到沉積腔室中， 在沉積腔室中在第三組沉積條件下在電解質(zhì)層上沉積陽極或陰極層中的另一個(gè)，從而形成 電化學(xué)電池。根據(jù)本發(fā)明的具體實(shí)施方案，提供了用于形成電化學(xué)電池的裝置。所述的裝置包 括在兩個(gè)卷軸之間卷繞且穿過沉積腔室的襯底、與卷軸和沉積腔室電連接的控制器、和與 控制器電連接的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)。所述的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)在其上存儲代碼，該代 碼目的在于指示控制器沿第一方向移動襯底通過沉積腔室，指示沉積腔室在腔室中在第一 組沉積條件下在襯底上沉積陽極或陰極層，接著指示卷軸將陽極或陰極層移回到腔室中。 存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上的代碼指示沉積腔室在腔室中在第二組沉積條件下在陽極 或陰極層上沉積電解質(zhì)層，指示卷軸將電解質(zhì)層移回到腔室中；接著指示沉積腔室在腔室 中在第三組沉積條件下在電解質(zhì)層上沉積陽極或陰極層中的另一個(gè)，從而形成電化學(xué)電 池。根據(jù)本發(fā)明的另一具體實(shí)施方案，提供了用于在襯底上沉積材料的方法。所述方 法包括采用選自下面組中的至少一種方法，使材料通過用于加熱的蒸發(fā)源來產(chǎn)生蒸氣，所 述的組由蒸發(fā)法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、射頻磁控濺射法、微波等離子 體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(MPECVD)、脈沖激光沉積法(PLD)、激光燒蝕法、噴霧沉積法、噴霧 熱解法、噴霧涂覆法或等離子體噴涂法組成。將氧氣或其它氧化性物種送入蒸發(fā)腔室與材 料蒸氣混合并產(chǎn)生要被沉積的氧化物。將氮?dú)饣蚱渌锓N送入蒸發(fā)腔室與材料蒸氣混合并 產(chǎn)生要被沉積的硝酸鹽，和將襯底運(yùn)送到鄰近蒸發(fā)源使基底上的蒸氣沉積。通過參考說明書的后面部分和附圖可以更進(jìn)一步理解本發(fā)明的本質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是說明根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的用于在襯底上沉積電池材料的裝置的簡化示 意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的裝置的具體實(shí)施方案的簡化視圖。圖2A是示出采用圖2的裝置形成電化學(xué)電池的方法的實(shí)施方案的步驟的簡化流 程圖。圖2B是根據(jù)本發(fā)明的裝置的另一實(shí)施方案的簡化視圖。圖2C是示出采用圖2B的裝置形成電化學(xué)電池的方法的實(shí)施方案的步驟的簡化流 程圖。圖3A示出卷繞棱柱形的電池的示例。圖;3B示出卷繞圓柱形的電池的示例。圖4示出根據(jù)一實(shí)施方案的在盤繞襯底上形成的電化學(xué)電池的定位。
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圖5示出在一襯底上用引線(lead)連接起來的多個(gè)分立的電化學(xué)電池的示例。圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案形成的電化學(xué)電池的簡化截面視圖，該電化學(xué) 電池具有平直薄膜形態(tài)設(shè)計(jì)的電極。圖6B是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案形成的電化學(xué)電池的簡化截面視圖，該電化學(xué) 電池具有正弦曲線形狀的形態(tài)設(shè)計(jì)的電極。圖7是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案形成的疊層電化學(xué)電池示例的簡化截面視圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案涉及用于制造電化學(xué)電池的技術(shù)。圖1是說明根據(jù)本發(fā)明 實(shí)施方案的用于在襯底上沉積電池材料的裝置的簡化示意圖。更具體而言，圖1的裝置包括真空沉積腔室6。該真空沉積腔室設(shè)置成，用來沉積 形成電化學(xué)電池的材料的薄膜。特別地，該真空沉積腔室與多個(gè)材料源流體相通，使下述層 中的一個(gè)層或多個(gè)層沉積陽極、陰極、電解質(zhì)、集流器和連接一個(gè)或多個(gè)分立的電化學(xué)電 池的引線。具體地，所述真空沉積腔室設(shè)置有至少一個(gè)用于在集流器上沉積電池陰極材料層 的蒸發(fā)源。所述的集流器可以是現(xiàn)成設(shè)置在襯底上，或者集流器本身可采用沉積腔室來形 成。所述的沉積腔室也設(shè)置有至少一個(gè)用于在電池陰極材料上沉積電解質(zhì)材料層的 蒸發(fā)源。所述的電解質(zhì)材料可以凝膠或固體狀態(tài)沉積。所述的沉積腔室也設(shè)置有至少一個(gè) 用于在電解質(zhì)層上沉積電池陽極材料層的蒸發(fā)源。所述的沉積腔室分別配備有輸入氣體口 4和輸出氣體口 9。在沉積過程中，這些氣 體口維持腔室內(nèi)惰性或氧化的真空氣氛。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的裝置的實(shí)施方案的更詳細(xì)的視圖。如圖2所示，本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施方案包括加工腔室，該加工腔室設(shè)置成用來在兩個(gè)卷軸之間卷繞的襯底上沉積不 同的材料。所述裝置可以包括氣體供應(yīng)，以便在沉積的同時(shí)根據(jù)需要可維持氧化氣氛。與沉 積腔室相連的氣體供應(yīng)閥，在沉積的同時(shí)根據(jù)需要可使活性氣體氣氛保持。另外一個(gè)與沉 積腔室相連的氣體供應(yīng)閥，當(dāng)將處理過的襯底移至腔室外面時(shí)，可以在腔室內(nèi)使惰性氣體 氣氛保持。所述腔室配置有各種能源和材料源以使電化學(xué)電池的不同層沉積。例如，所述腔 室可以配備有加熱或冷卻元件以控制其內(nèi)部的熱環(huán)境。這些溫度控制元件可以是球形的， 如加熱燈或帕爾貼加熱器或帕爾貼致冷器式的?；蛘撸c球形的加熱源/散熱器結(jié)合，所述 裝置可配置有定位的溫度控制元件，如激光器或低溫流體噴射器，其能夠?qū)?zhǔn)所沉積材料 的特定部分。所述腔室也可以配備成使其中的材料暴露于輻射中。依照本發(fā)明的輻射源的例子 包括但不限于紫外輻射源、微波輻射源和電子束。其它可能在腔室中使用的輻射源包括紅 外輻射源、脈沖激光器、納秒激光器、低能激光器(例如具有mj/cm2級的能量)和高能激光 器(例如具有J/cm2級的能量)，以及中子、電子、光子或其它原子粒子散射。所述裝置包括與沉積腔室串聯(lián)連接的供應(yīng)腔室。將襯底材料供給沉積腔室。該襯底材料保持在沉積腔室的相同氣體氣氛中，將其展開，連續(xù)或順序地送入沉積腔室中。所述的輸入/輸出口可以包括與沉積腔室串聯(lián)連接的排出腔室(evacuation chamber)，且輸入/輸出口保持在相同的氣體氣氛下。已經(jīng)沉積了電池的襯底材料傳送通 過排出腔室，用輥將其收集起來。所述裝置的這種實(shí)施方案可以適用于在襯底上沉積疊層的固態(tài)電池組。在這種實(shí) 施方案中，供應(yīng)腔室和排出腔室是可以調(diào)換的。因此，當(dāng)襯底材料的滾動已經(jīng)經(jīng)歷一次傳送 通過沉積腔室時(shí)，襯底的方向可以反轉(zhuǎn)過來，襯底再次傳送通過沉積腔室以使電化學(xué)電池 的另外一層形成。因此，在圖2所示的具體實(shí)施方案中，所述襯底圍繞卷軸移動的方向是交替改變 的。為了隨著時(shí)間使沉積材料順序形成，腔室內(nèi)的條件是隨方向的每次變化而變化的。特 別地，控制器與每個(gè)卷軸和腔室電連接。該控制器也與計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)相聯(lián)系，該計(jì)算 機(jī)可讀存儲介質(zhì)上具有存儲好的代碼，所述代碼配置成用來結(jié)合電化學(xué)電池材料的不同層 的沉積而引導(dǎo)襯底的交替移動。圖2A是說明采用上述方法形成電池結(jié)構(gòu)的工藝流程200的步驟的簡圖。具體地， 在第一步驟201中，使卷軸轉(zhuǎn)動從而沿第一方向移動襯底通過沉積腔室。在第二步驟202中，如果所述襯底不導(dǎo)電，則在襯底上沉積集流器材料。在第三步 驟203中，在襯底上沉積第一電極材料。在一些實(shí)施方案中，首先沉積陽極材料。在其它的 實(shí)施方案中，可以首先沉積陰極材料。在第四步驟204中，改變卷軸的轉(zhuǎn)動方向，具有沉積了的電極材料的襯底沿相反 的方向回移通過腔室。在第五步驟205中，在第一電極上沉積電解質(zhì)材料。在第六步驟206中，卷軸轉(zhuǎn)動的方向又反轉(zhuǎn)到原來的方向，具有沉積了的電解質(zhì) 材料的襯底又回移通過腔室。在第七步驟207中，在電解質(zhì)上沉積第二電極(陽極或陰極) 材料。在第八步驟208中，在第二電極上沉積集流器材料。上述步驟的順序提供了一種根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法。如所說明的，該方法使 用了包括襯底移動通過腔室的方向的變化和腔室內(nèi)沉積條件的變化的步驟的組合。在不偏 離本發(fā)明權(quán)利要求范圍的情況下，也可以提供其它的選擇，其中增加步驟，取消一個(gè)或多個(gè) 步驟，或以不同的順序提供一個(gè)或多個(gè)步驟。本方法進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以在本發(fā)明整個(gè)說明 書中找到。在一可選擇的方法中，在腔室內(nèi)的條件定期改變的情況下，所述襯底可以圍繞卷 軸沿著相同的方向移動，從而使沉積材料隨著時(shí)間連續(xù)形成。圖2B示出根據(jù)這種方法設(shè)置 用于形成電池結(jié)構(gòu)的裝置的實(shí)施方案簡化示意圖。特別地，控制器與卷軸和沉積腔室電連 接。該控制器也與其上存儲有代碼的計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)相聯(lián)系，該代碼用來引導(dǎo)控制器 使卷軸持續(xù)沿相同的方向轉(zhuǎn)動，從而首先形成電極層。經(jīng)過一定的時(shí)間之后，當(dāng)襯底已經(jīng)覆 蓋有電極層，存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上的代碼促使控制器指示腔室改變沉積條件以沉 積電解質(zhì)層。隨后，該控制器再次指示沉積腔室改變腔室內(nèi)的條件以沉積另一電極(陽極 或陰極)材料。圖2C是概括了采用這種方法形成電池結(jié)構(gòu)的步驟的流程220的簡化圖。在第一 步驟222中，轉(zhuǎn)動卷軸以使襯底移動通過腔室。在第二步驟223中，當(dāng)卷軸正以相同方向轉(zhuǎn) 動時(shí)，如果襯底不導(dǎo)電，則在襯底上沉積集流器材料。
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在第三步驟224中，當(dāng)卷軸正以相同方向轉(zhuǎn)動時(shí)，在襯底上沉積電極(陽極或陰 極)材料，或如果襯底不導(dǎo)電，則在集流器材料上沉積電極(陽極或陰極)材料。在第四步 驟226中，一經(jīng)襯底已經(jīng)覆蓋有電極材料，改變腔室內(nèi)的條件以在電極上沉積電解質(zhì)材料。在第五步驟228中，一經(jīng)第一電極材料已經(jīng)覆蓋有電解質(zhì)，再次改變腔室內(nèi)的條 件，沉積第二電極(陰極或陽極)材料。在第六步驟2 中，在第二電極上沉積集流器材料。上述步驟的順序提供了一種根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的方法。如所說明的，該方法使 用了包括襯底沿一致的方向移動通過腔室和腔室內(nèi)沉積條件的變化的步驟的組合。在不偏 離本發(fā)明權(quán)利要求范圍的情況下，也可以提供其它的選擇，其中增加步驟，取消一個(gè)或多個(gè) 步驟，或以不同的順序提供一個(gè)或多個(gè)步驟。本方法進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以在本發(fā)明整個(gè)說明 書中找到。所述沉積腔室可設(shè)置成通過選自下述方法中的至少一種方法來沉積材料蒸發(fā) 法、物理氣相沉積法(PVD)、化學(xué)氣相沉積法(CVD)、濺射法、射頻磁控濺射法、微波等離子 體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(MPECVD)、脈沖激光沉積法(PLD)、激光燒蝕法、噴霧沉積法、噴霧 熱解法、噴霧涂覆法或等離子體噴涂法。用于沉積的條件可以，但是不必，在減壓環(huán)境下進(jìn)行。因此，所述沉積腔室可以為 設(shè)置成用于沉積至少一種材料的沉積腔室。在具體的實(shí)施方案中，所述裝置設(shè)置成采用微波水熱合成法形成納米粒子來沉積 材料。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案的沉積納米粒子可以呈現(xiàn)選自下述組中的至少一種形狀球 體、納米立方體、贗立方體、橢圓體、紡錘體、納米片、納米環(huán)、納米球、納米紡錘體、小圓粒、 桿狀、線狀、陣列狀、管狀、納米管、帶狀、盤狀、環(huán)狀、立方體、中型孔狀、樹枝狀、螺旋槳狀 (propellers)、花狀(flowers)、空心狀(hollow interior)、所列出結(jié)構(gòu)的結(jié)合體、以及其 它復(fù)合超結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明裝置的具體實(shí)施方案可以設(shè)置成采用微波照射來誘導(dǎo)下面機(jī)制 中的至少一種成核、聚集、重結(jié)晶和溶解-重結(jié)晶，從而沉積粒子。在具體的實(shí)施方案中，所述裝置可以設(shè)置成采用激光燒蝕法、熱蒸發(fā)法、氣相輸送 法(vapor transport)或這些技術(shù)的組合來沉積納米線、納米管或納米帶結(jié)構(gòu)或它們的組 合，從而沉積材料。可以在這些實(shí)施方案中沉積的材料包括但不限于第III-IV族半導(dǎo)體納 米線(如硅)、鋅(Zn)和氧化鋅(SiO)納米線、半導(dǎo)體性氧化物(鋅、錫、銦、鎘和鎵的氧化 物)納米帶、碳納米管和碳介觀結(jié)構(gòu)(carbon meso-structure)。本發(fā)明的實(shí)施方案可以提供許多優(yōu)于常規(guī)方法的益處。例如，特別是當(dāng)與常規(guī)的 間歇式制造工藝相比，本發(fā)明的實(shí)施方案有利于單個(gè)或多個(gè)高性能的薄膜電化學(xué)電池的不 同規(guī)模的制造。當(dāng)與常規(guī)方法相比，本發(fā)明的實(shí)施方案還提供高度的靈活性。特別是，本發(fā)明的實(shí) 施方案允許利用單個(gè)腔室應(yīng)用多重制造技術(shù)。這種方法創(chuàng)建了一個(gè)在一個(gè)或多個(gè)電池中專 門針對最優(yōu)層或等級材料能夠采用多重沉積技術(shù)的系統(tǒng)。本發(fā)明的一些實(shí)施方案便于以垂直(疊層)結(jié)構(gòu)制造多個(gè)電化學(xué)電池。因此，本 發(fā)明的具體實(shí)施方案也可以包括至少一種蒸發(fā)源，所述至少一種蒸發(fā)源適合于在疊層中在 第一沉積電池的第二電極和下一個(gè)沉積電池的第一電極之間沉積集流器層，也可以在疊層 中在最后的沉積電池的第二電極上沉積上導(dǎo)電金屬層。此外，本發(fā)明的實(shí)施方案可以允許在帶狀襯底(ribbon-type substrate)上水平
11形成電池組/電化學(xué)電池。在具體的實(shí)施方案中，這種帶可以以卷繞的棱柱形進(jìn)行卷繞，如 圖3A所示。在可選擇的實(shí)施方案中，這種帶可以以卷繞的圓柱形進(jìn)行卷繞，如圖:3B所示。如圖4所示，在一些實(shí)施方案中，在襯底上材料的沉積可以限制在特定的位置。特 別是，沉積材料可以不包括在盤卷中預(yù)計(jì)是急轉(zhuǎn)彎位置的那部分襯底，從而避免與卷繞相 關(guān)的高應(yīng)力和可能的缺陷。在具體的實(shí)施方案中，多個(gè)電化學(xué)電池可以以水平系列的方式在帶狀襯底上形 成，它們通過導(dǎo)電引線結(jié)構(gòu)在分立的電化學(xué)電池之間建立電連接。這樣的實(shí)施方案在圖5 中示出。在這種導(dǎo)線相對薄和脆的情況下，盤卷中的緊轉(zhuǎn)彎會對它們施加物理應(yīng)力，有可 能會導(dǎo)致斷裂。因此，本發(fā)明的具體實(shí)施方案可以以增加的間距來分隔分立的電池。這種 增加的間距在材料卷繞時(shí)在接連的轉(zhuǎn)彎處能容納大量的材料，從而降低物理應(yīng)力。實(shí)施例實(shí)施例1 制造薄膜鋰電池本實(shí)施例舉例說明了制造新的電化學(xué)電池的方法。特別地，示出了電極的兩種不 同形態(tài)的設(shè)計(jì)。圖6A是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方案形成的電化學(xué)電池的簡化截面視圖，該電 化學(xué)電池具有平直薄膜形態(tài)設(shè)計(jì)的電極。圖6B是示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方案形成的電化 學(xué)電池的簡化截面視圖，該電化學(xué)電池具有正弦曲線狀形態(tài)設(shè)計(jì)的電極。用于三維電化學(xué)電池的材料是作為陽極集流器的銅(圖6A中的16，圖6B中的 21)，作為陽極的鋰金屬(圖6A中的17，圖6B中的22)，作為電解質(zhì)的含有鋰鹽的聚合物 (圖6A中的18，圖6B中的23)，作為陰極的鋰錳氧化物(lithium manganese oxide)(圖 6A中的19，圖6B中的24)和作為陰極集流器的鋁(圖6A中的20，圖6B中的25)。由于使 用聚合物電解質(zhì)，因此不需要隔板。此處所使用的材料僅為了說明的目的。根據(jù)可選擇的實(shí)施方案，其它材料可用來 形成電化學(xué)電池且仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在圖6A中的平板電極結(jié)構(gòu)中，所述襯底是第一集流器(銅)。相繼的材料層，活性 的和非活性的，在沉積腔室中利用PVD在襯底上沉積。在正弦曲線結(jié)構(gòu)中，嵴狀聚合物膜用作襯底，在該襯底上沉積第一金屬層(銅)， 接著相繼的材料層，活性的和非活性的，在腔室中利用PVD沉積。實(shí)施例2 制造疊層電池，制造更高電壓和能量的電池組本實(shí)施例舉例說明了制造疊層電池的方法。圖6示出了兩個(gè)層疊在一起的平板薄 膜電池。用于三維電化學(xué)電池的材料是作為陽極集流器26和31的銅，作為陽極27和32 的鋰金屬，作為電解質(zhì)28和33的含有鋰鹽的聚合物，作為陰極四和34的鋰錳氧化物，和 作為陰極集流器30和35的鋁。由于使用聚合物電解質(zhì)，因此不需要隔板。此處所列出的具體材料僅為了說明的目的。根據(jù)可選擇的實(shí)施方案，其它材料可 使用且仍然在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在這個(gè)具體的實(shí)施例中，采用第一平板金屬層(銅集流器)作為襯底，依次序沉積 多層。用PVD來沉積相繼的活性和非活性材料。雖然上述的實(shí)施方案描述了由特定的材料制備的電化學(xué)電池，但是本發(fā)明不限于 使用這些材料?？蛇x擇的實(shí)施方案可以沉積各種用作陽極、電解質(zhì)和陰極的沉積材料，且仍
12然是在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，表1非完全地列出了形成各種類型電解電池的材料的實(shí)例。表 權(quán)利要求
1.一種用于電化學(xué)電池的沉積的裝置，所述裝置包括沉積腔室，所述沉積腔室與第一材料源和第二材料源流體相通；第一 口，所述第一 口與沉積腔室流體相通且設(shè)置成在與沉積腔室內(nèi)的條件相似的氣體 和壓力條件下保持；第二 口，所述第二 口與沉積腔室流體相通且設(shè)置成在與沉積腔室內(nèi)的條件相似的氣體 和壓力條件下保持；襯底，所述襯底安置在兩個(gè)卷軸之間且延伸通過第一口、沉積腔室和第二口 ；和控制器，所述控制器配置用來使兩卷軸一致旋轉(zhuǎn)，從而沿通過沉積腔室的方向移動襯 底，同時(shí)來自材料源的材料在襯底上沉積。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與所述沉積腔室流體相通的真空源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與沉積腔室能量相通的輻射源。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與沉積腔室能量相通的熱源。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括與沉積腔室能量相通的光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述控制器設(shè)置成，用來以交替的方向旋轉(zhuǎn)卷 軸，以及當(dāng)襯底沿第一方向移動時(shí)，用來指示沉積腔室在襯底上沉積來自第一材料源的電 極，然后，當(dāng)襯底沿與第一方向相反的第二方向移動時(shí)，用來指示沉積腔室在電極上沉積來 自第二材料源的電解質(zhì)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述控制器設(shè)置成用來在襯底上沉積多個(gè)分立 的電極部分，該多個(gè)分立的電極部分通過增加的間距而分隔開，當(dāng)以卷繞的結(jié)構(gòu)組裝時(shí)，該 增加的間距容納襯底預(yù)計(jì)急轉(zhuǎn)彎部位。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述控制器設(shè)置成用來以恒定的方向旋轉(zhuǎn)卷軸， 并用來在第一時(shí)間段期間指示沉積腔室在襯底上沉積來自第一材料源的電極，接著在繼第 一時(shí)間段之后的第二時(shí)間段期間，在電極上沉積來自第二材料源的電解質(zhì)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述控制器設(shè)置成用來在襯底上沉積多個(gè)分立 的電極部分，該多個(gè)分立的電極部分通過增加的間距而分隔開，當(dāng)以卷繞的結(jié)構(gòu)組裝時(shí)，該 增加的間距容納襯底預(yù)計(jì)急轉(zhuǎn)彎部位。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述第一材料源提供陽極或陰極的沉積，所述 第二材料源提供電解質(zhì)的沉積。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，進(jìn)一步包括第三材料源，該第三材料源提供陽極或 陰極中另一個(gè)的沉積。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，進(jìn)一步包括第四材料源，該第四材料源提供集流器 的沉積。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述腔室設(shè)置成用于采用選自下面組中方法中 的一種或組合的方法進(jìn)行沉積，所述組由蒸發(fā)法、物理氣相沉積法(PVD)、化學(xué)氣相沉積法、 濺射法、射頻磁控濺射法、微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(MPECVD)、脈沖激光沉積法 (PLD)、激光燒蝕法、噴霧沉積法、噴霧熱解法、噴霧涂覆法或等離子體噴涂法組成。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述腔室設(shè)置成用于沉積納米線結(jié)構(gòu)、納米管 結(jié)構(gòu)、或納米帶結(jié)構(gòu)、或這些結(jié)構(gòu)的組合。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述腔室設(shè)置成用于沉積第III- IV族半導(dǎo)體納米線，鋅(Zn)或氧化鋅(SiO)納米線，鋅、錫、銦、鎘和鎵的半導(dǎo)體性氧化物納米帶，碳納米 管，或碳介觀結(jié)構(gòu)。
16.一種用于形成電化學(xué)電池的方法，所述方法包括使在兩個(gè)卷軸之間卷繞的襯底沿第一方向移動通過沉積腔室； 在第一組沉積條件下在沉積腔室中在襯底上沉積陽極或陰極層； 將陽極或陰極層移回到腔室中；在第二組沉積條件下在沉積腔室中在陽極或陰極層上沉積電解質(zhì)層； 將電解質(zhì)層移回到腔室中；和在第三組沉積條件下在沉積腔室中在電解質(zhì)層上沉積陽極或陰極層中的另一個(gè)，從而 形成電化學(xué)電池。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中采用選自下面組中方法中的一種或組合的方法 進(jìn)行陽極或陰極層、電解質(zhì)層或陽極或陰極層中的另一個(gè)的沉積，所述組由蒸發(fā)法、物理氣 相沉積法(PVD)、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、射頻磁控濺射法、微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉 積法(MPECVD)、脈沖激光沉積法(PLD)、激光燒蝕法、噴霧沉積法、噴霧熱解法、噴霧涂覆法 或等離子體噴涂法組成。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述陰極或陽極層沿與第一方向相反的第二 方向移入腔室中，所述電解質(zhì)層沿第一方向移入腔室中。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述陰極或陽極層和電解質(zhì)層通過襯底繞卷 軸旋轉(zhuǎn)而沿第一方向移入腔室中。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述電解質(zhì)層沉積在陽極層上，所述陰極層沉 積在電解質(zhì)層上。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述電解質(zhì)層沉積在陰極層上，所述陽極層沉 積在電解質(zhì)層上。
22.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述陰極或陽極層沉積在襯底上的集流器層上。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的方法，進(jìn)一步包括在沉積陰極或陽極層之前在襯底上沉積集流器層。
24.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在所述襯底未用過的部分重復(fù)層的沉積，從而 形成多個(gè)分立的電化學(xué)電池。
25.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，在已有的電化學(xué)電池上重復(fù)層的沉積，從而形 成多個(gè)疊層的電化學(xué)電池。
26.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，沉積所述陽極或陰極層包括沉積納米線結(jié)構(gòu)、 納米管結(jié)構(gòu)、或納米帶結(jié)構(gòu)、或這些結(jié)構(gòu)的組合。
27.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中沉積所述陽極層、陰極層或電解質(zhì)層包括沉積 第III-IV族半導(dǎo)體納米線，鋅(Zn)或氧化鋅(SiO)納米線，鋅、錫、銦、鎘和鎵的半導(dǎo)體性氧 化物納米帶，碳納米管，或碳介觀結(jié)構(gòu)。
28.一種用于形成電化學(xué)電池的裝置，所述裝置包括 襯底，所述襯底通過沉積腔室卷繞在兩個(gè)卷軸之間； 控制器，所述控制器與卷軸和沉積腔室電連接；和計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)與控制器電連接，在該計(jì)算機(jī)可讀存 儲介質(zhì)上存儲有代碼，該代碼引導(dǎo)控制器 沿第一方向移動襯底通過沉積腔室；指示沉積腔室在腔室內(nèi)在第一組沉積條件下在襯底上沉積陽極或陰極層； 指示卷軸將陽極或陰極層移回到腔室中；指示沉積腔室在腔室內(nèi)在第二組沉積條件下在陽極或陰極層上沉積電解質(zhì)層； 指示卷軸將電解質(zhì)層移回到腔室中；和指示沉積腔室在腔室內(nèi)在第三組沉積條件下在電解質(zhì)層上沉積陽極或陰極層中的另 一個(gè)，從而形成電化學(xué)電池。
29.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的裝置，其中，所述存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上的代碼 引導(dǎo)控制器指示卷軸將陰極或陽極層沿與第一方向相反的第二方向移入腔室中；和 弓丨導(dǎo)控制器指示卷軸將電解質(zhì)層沿第一方向移入腔室中。
30.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的裝置，其中，所述存儲在計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上的代碼引 導(dǎo)控制器指示卷軸通過襯底繞卷軸旋轉(zhuǎn)將陰極或陽極層和電解質(zhì)層沿第一方向移入腔室 中。
31.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的裝置，其中，所述代碼配置成用來引導(dǎo)控制器指示沉積腔 室在襯底未用過的部分上重復(fù)層的沉積，從而形成多個(gè)分立的電化學(xué)電池。
32.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的裝置，其中，所述代碼配置成用來引導(dǎo)控制器指示襯底加 熱組件在合適的溫度(如< 800°C )加熱襯底以誘導(dǎo)相轉(zhuǎn)變、重結(jié)晶或擴(kuò)散和生長。
33.根據(jù)權(quán)利要求觀所述的裝置，其中，所述代碼配置成用來引導(dǎo)控制器指示沉積腔 室在已有的電化學(xué)電池上重復(fù)層的沉積，從而形成多個(gè)疊層的電化學(xué)電池。
34.一種用于大規(guī)模固態(tài)薄膜電化學(xué)電池沉積的沉積裝置，所述裝置包括 第一殼，所述第一殼限定了封閉的供應(yīng)腔室；輥傳送帶，所述輥傳送帶位于供應(yīng)腔室內(nèi)部，用于將襯底傳送到沉積腔室和由此傳送 到排出腔室；第一口，所述第一 口將第一供應(yīng)腔室和沉積腔室連接起來，保持與沉積腔室相同的氣 體氣氛和相同的真空壓力，從而提供連續(xù)加工；單個(gè)真空沉積腔室，所述單個(gè)真空沉積腔室用于以薄膜狀沉積多種電池材料； 第二 口，所述第二 口將沉積腔室與排出腔室連接起來，保持與沉積腔室相同的氣體氣 氛和相同的真空壓力，從而提供連續(xù)加工；和第二殼，所述第二殼限定了封閉的排出腔室，與沉積腔室串聯(lián)連接。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，進(jìn)一步包括 真空源，所述真空源用于抽取沉積腔室內(nèi)的真空氣氛； 蒸發(fā)源，所述蒸發(fā)源用于在襯底材料上沉積電池陰極材料；第一蒸發(fā)源，所述第一蒸發(fā)源用于在電池陰極材料上沉積電解質(zhì)材料； 第二蒸發(fā)源，所述第二蒸發(fā)源用于在電解質(zhì)材料上沉積電池陽極材料； 氣體供應(yīng)閥，所述氣體供應(yīng)閥與沉積腔室相連；和 閥，所述閥在沉積完成之后或在順序沉積步驟之間用于撤離和排出腔室。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，其中，所述沉積腔室設(shè)置成采用微波水熱合成法形成納米粒子來沉積材料，所述納米粒子的形狀選自由如下形狀組成的組中的至少一 種球體、納米立方體、贗立方體、橢圓體、紡錘體、納米片、納米環(huán)、納米球、納米紡錘體、小 圓粒、桿狀、線狀、陣列狀、管狀、納米管、帶狀、盤狀、環(huán)狀、立方體、中孔狀、樹枝狀、螺旋槳 狀、花狀、空心狀、所列出結(jié)構(gòu)的組合體和其它復(fù)合超結(jié)構(gòu)。
37.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，其中，所述沉積腔室設(shè)置成用于沉積層以形成 清晰的或不清晰的界面。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的沉積裝置，其中，所述電解質(zhì)和隔板可以由相同的材料制 成，所述相同的材料包括相同的相。
39.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，其中，所述供應(yīng)和排出腔室是可互換的，從而允 許沉積腔室在襯底上沉積疊層的固態(tài)電池組，因而，當(dāng)襯底材料的滾動已經(jīng)經(jīng)歷過一次傳 送通過沉積腔室時(shí)，所述襯底的方向可以反轉(zhuǎn)過來，且所述襯底可以經(jīng)歷另一次傳送通過 沉積腔室。
40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，其中，所述腔室設(shè)置成用于沉積粒子，該粒子是 采用微波照射來誘導(dǎo)選自由成核、聚集、重結(jié)晶和溶解-重結(jié)晶組成的組中的至少一種機(jī) 制所合成的。
41.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，進(jìn)一步包括至少一種蒸發(fā)源，該至少一種蒸發(fā) 源用于在第二電池電極層的上面沉積作為集流器的上導(dǎo)電金屬層。
42.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，進(jìn)一步包括至少兩種蒸發(fā)源，所述至少兩種蒸 發(fā)源設(shè)置成用于在第一沉積電池的陰極和下一個(gè)沉積電池的陽極之間沉積兩層導(dǎo)電金屬 層作為集流器。
43.根據(jù)權(quán)利要求34所述的沉積裝置，其中，所述沉積腔室設(shè)置成采用選自下面組中 的方法來沉積材料，所述組由蒸發(fā)法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、射頻磁控 濺射法、微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(MPECVD)、脈沖激光沉積法(PLD)、激光燒蝕 法、噴霧沉積法、噴霧熱解法、噴霧涂覆法或等離子體噴涂法組成。
44.一種用于在襯底上沉積材料的方法，所述包括采用選自下面組中的至少一種方法，將材料傳送通過用于加熱的蒸發(fā)源來產(chǎn)生蒸氣， 所述組由蒸發(fā)法、物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、濺射法、射頻磁控濺射法、微波等離子 體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(MPECVD)、脈沖激光沉積法(PLD)、激光燒蝕法、噴霧沉積法、噴霧 熱解法、噴霧涂覆法或等離子體噴涂法；將氧氣或其它氧化性物種送入蒸發(fā)腔室與材料蒸氣混合并產(chǎn)生要沉積的氧化物；將氮?dú)饣蚱渌锓N送入蒸發(fā)腔室與材料蒸氣混合并產(chǎn)生要沉積的硝酸鹽；和將襯底運(yùn)送到鄰近蒸發(fā)源使基底上的蒸氣沉積。
45.一種組合體，包括襯底材料，所述襯底材料設(shè)置成在卷軸之間卷繞，該襯底材料包括以薄箔和承載形式 的銅(Cu)、鋁(Al)、不銹鋼或其它合適的導(dǎo)電合金；第一電極材料，所述第一電極材料包括鋰金屬(Li)、鋰鈦氧化物(Li4Ti5O12)、石墨(C) 或中間相碳結(jié)構(gòu)中的至少一種；電解質(zhì)材料，所述電解質(zhì)材料在第一電極材料上面，包括鋰磷氧氮(LIPON)，或與聚環(huán) 氧乙烷(PEO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)或PEO和PVDF的組合混合的鋰鹽中的至少一種；和第二電極材料，所述第二電極材料在電解質(zhì)材料上面，包括層狀金屬氧化物材料、層狀 尖晶石材料或?qū)訝铋蠙焓牧现械闹辽僖环N。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的組合體，其中，所述中間相碳結(jié)構(gòu)包括微珠或其它微結(jié)構(gòu) 中的至少一種。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的組合體，其中，所述的鋰鹽包括LiClO4或LiPF6中的至少一種。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的組合體，其中，所述的層狀氧化物材料包括LiCoO2, 層狀尖晶石材料包括LiMn2O4，或?qū)訝铋蠙焓牧习↙iFePCV Li (Ni1/3Mn1/3Co1/3) O2、 LiNixCoyAl (1_x_y) O2 (NCA)或 LiNixMnyCo (1_x_y) O2 (NCM)。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的組合體，其中，所述第一電極材料、電解質(zhì)材料和第二電極 材料在襯底上形成為多個(gè)分立的電池。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的組合體，進(jìn)一步包括連接多個(gè)分立電池的導(dǎo)電引線。
51.根據(jù)權(quán)利要求45所述的組合體，其中，所述的第一電極材料、電解質(zhì)材料和第二電 極材料形成為多個(gè)電池的垂直疊層的一部分。
全文摘要
本發(fā)明的實(shí)施方案涉及制造電化學(xué)電池的裝置和方法。本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案包括單個(gè)腔室，所述單個(gè)腔室設(shè)置成用于在兩個(gè)卷軸之間卷繞的襯底上沉積不同的材料。在一個(gè)實(shí)施方案中，在腔室內(nèi)的條件定期改變的情況下，所述襯底圍繞卷軸沿相同的方向移動，從而使沉積材料隨著時(shí)間連續(xù)形成。另一個(gè)實(shí)施方案采用，在腔室內(nèi)的條件隨著方向的每一次改變而不同的情況下，使襯底圍繞卷軸移動的方向交替改變，而使沉積材料隨著時(shí)間順序形成。所述腔室配置有各種能源和材料源，從而使電化學(xué)電池的不同層沉積。
文檔編號C23C16/26GK102066607SQ200980123203
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者安瑪麗·沙斯特里, 汪家偉, 法比奧·阿而巴諾 申請人:Sakti3有限公司